Неутронски starsвезди
Границата ЧандрасекарКолапсотФотодисоцијацијаПовисоки елементиротацијадегенерацијаградбаМоже ли да се приближи? Кварк везди!
Од одредена маса нагоре, една starвезда повеќе не може да умре од релативно „тивката смрт“ што нашето сонце еден ден исто така ќе ја престигне и на крајот ќе се претвори во бело џуџе по етапата на црвениот џин. Уште во 1931 година астрономот С. Чандрасехар пресметал, дека starвезда над границата од 1,4 сончеви маси повеќе не може да постои како бело џуџе со големина на Земјата. Наместо тоа, остатокот од вездата, нејзиното централно подрачје, е стегнат заедно со неограничена гравитација за да се формира топка со дијаметар од само 20 км. Оваа структура е неутронска везда. Ако преостанатата маса е повеќе од 2 соларни маси, колапсот неизбежно продолжува до црната дупка.
Масивна starвезда постојано губи маса поради емитуваното зрачење и силниот сончев ветер. Ако неговиот центар сепак има маса над границата на Чандрасехар по сите реакции на фузија и со тоа и истече активниот век на траење, неговиот крај ќе биде крајно драматичен. Јадрото се состои само од железо и никел, кои не можат повеќе да се спојат. Понатамошното спојување ќе се одвива во различни обвивки центрирани околу јадрото како кромид, но енергијата што сè уште се ослободува тука не е доволна за да ја издржи гравитацијата. На крајот на краиштата, сега во центарот на вездите има сфера железо/никел поголема од големината на Земјата. Тука, сепак, притисокот на гас и зрачење генериран досега од нуклеарните фузии, што компензираше за внатрешно насочениот гравитационен ефект, целосно недостасува. Гравитацијата сега е надмоќна и го компресира јадрото. Дури и првично почетокот на дегенеративниот притисок од електроните не може повеќе да го издржи, падот на theвездата продолжува незапирливо.
Над зоната на јадрото, како што веќе беше споменато, спојувањето продолжува во разни обвивки, додека јадрото продолжува да се компресира под притисок на гравитацијата, при што може да достигне температура од 5 до 10 милијарди [K]. Во одредена точка, започнува процес познат како фотодисоцијација се вика. Можеме да замислиме дека согорувањето на школка создава фотони со висока енергија кои продираат во јадрото и стануваат активни тука како гама кванти. Прогресивната контракција на вездата исто така го зголемува притисокот во одделните лушпи и со тоа се зголемува температурата. Нуклеарните спојувања работат побрзо и побрзо и ослободените фотони добиваат постојано зголемување на енергетската содржина. Сега сте во можност да разбиете најголем дел од железните јадра во центарот (тука се мислат само на „голите“ атомски јадра, тие се целосно јонизирани и повеќе немаат електрони). Алфа честичките остануваат во оваа реакција, односно јадрата на хелиум, кои се состојат од 2 протони и 2 неутрони.
Неутрон Starвезда RXJ 185635-3754 Во Корона Австралис (Јужна круна) извор на Х-зраци беше откриен уште во 1992 година на растојание од само 400 светлосни години. HST (телескоп Хабл) сега ја лоцираше оваа starвезда на видлива светлина. Објектот има површина од над
650,000 [K] и дијаметар од само околу 28 [km], така што може да биде само неутронска везда. Ниту еден друг објект со такви својства не може да постои. Неутронската starвезда ја доби ознаката RXJ 185635-3754.
Со благодарност од STScI, Фред Валтер (Државен универзитет во Newујорк и Стони Брук) и НАСА
Енергијата на врзување треба да се искористи за уништување на атомските јадра на железо, што значи дека притисокот опаѓа и конечно започнува колапсот. Јадрото на вездата е целосно надвор од рамнотежа и се распаѓа за неколку милисекунди. Густината се зголемува толку неверојатно, што електроните (е -) кои сè уште не се врзани се притиснати толку блиску до протоните (р) што се спојуваат со нив за да формираат неутрони (N). За време на овој процес (т.н. инверзна β-распаѓање), истовремено се генерираат маси на неутрини (n), кои скоро никогаш не комуницираат со други нуклеарни честички:
Вториот претставува најголем дел од сега ослободената гравитациона енергија и работи непречено од јадрото со скоро брзина на светлината (види и Супернова). Кога густината достигне околу 4 · 10 11 [gcm -3], неутроните излегуваат од јадрата и формираат еден вид мешана фаза со преостанатите атомски јадра. Кога густината ќе достигне до онаа на нуклеарната материја, 2,8 x 10 14 [gcm -3], практично постојат само неутрони. Пред тоа, со густина од 10 12 [gcm-3], дегенеративниот притисок на неутроните што сега започнува го зазема режимот.
Ако се постигне оваа точка, компресивноста на остатокот одеднаш се зголемува (= Остаток) зачуван, неутроните не можат да се кондензираат повеќе. Само сега, надворешната обвивка на вездата го „забележува“ намалувањето на големината на јадрото и се спушта навнатре со голема брзина. Брутално се запира кога ќе удри во јадрото, што поради инерција беше исцедено многу подалеку отколку што всушност дозволува неговата крајна фаза. Како резултат, се враќа назад, theвездената материја што паѓа одеднаш се одвраќа и се забрзува нанадвор. Школка од вездата се исфрла со суперсонична брзина.
Ова предизвикува шок бран, кој сега минува низ целата преостаната starвезда во спротивна насока. Ова ја зголемува температурата на обвивката до толкава мера (веројатно заради ретките, но реактивни реакции на неутрино со други нуклеарни честички) што се активираат понатамошни нуклеарни фузии. Во ова кратко време што преостанува на theвездата, се создаваат повисоки елементи до ураниум во различните обвивки, главно преку зафаќање на неутрони. Распределбата во голема мера одговара на квантитативната дистрибуција на елементите како што ги наоѓаме во целиот космос.
Неутронска starвезда во Пупис
Во јужното со constвездие Кутре (Шиф Арго) Опсерваторијата Росат откри еден од најсилните извори на Х-зраци на небото. Тоа е експлозија на супернова, шокираните, жешки остатоци од поранешната starвездена обвивка интензивно светат на рендгенско светло. Сеуште можете да видите мала светла точка: Ова е младата неутронска starвезда, која бега странично со далеку над 1000 км/секунда од центарот на асиметричната експлозија.
Со благодарност од С.Сноуден, Р. Петре (LHEA/GSFC), Ц. Бекер (МИТ) и сор., Проект РОСАТ, НАСА
Тресниот бран активиран од колапсот потоа ја распрснува (по неколку часа) надворешната обвивка со 10.000 [km/s] или повеќе, при што тешките елементи се фрлаат и како врел гас во вселената - се создава супернова. Ова исфрлање подоцна се користи како меѓуerstвезден материјал за изградба на нови генерации starsвезди, формирање планети, па дури и создавање живот. Сите сме создадени од овој материјал - ништо друго освен пепел од starвезда!
За време на контракцијата, преостанатото јадро го задржува вртежниот момент на оригиналната starвезда, што енормно ја зголемува нејзината ротација. Поради ова зачувување на аголниот момент, неутронска starвезда може да ротира до повеќе од илјада пати во секунда. Ако сè уште има магнетно поле, станува пулсар.
Со дијаметар од околу 20 км, колапсот доаѓа до застој. Ова добиено тело, кое сега има уште повеќе од масата на нашето сонце, сега има густина еден квадрилион (10 15) поголема од водата; еден кубен сантиметар материја на неговата површина „тежи“ ситница од милијарда тони. Лице на оваа површина последователно би
70 000 000 000 000 тони да тежат!
Егзотични услови Навистина егзотичните услови преовладуваат на неутронска везда. Гравитацијата е 10 12 пати поголема од земјата, едно лице би имало незамислива тежина тука. Поради силното искривување на светлината, половина од вездата може да се занемари, а далечен набудувач може дури и да види подалеку од хоризонтот. Нашиот сиромашен посетител ќе треба да достигне скоро половина од брзината на светлината за повторно да избега од theвездата. Меѓутоа, ако тој сакаше да вежба „алпинизам“, ќе мораше да потроши повеќе енергија за да го освои врвот висок 1 мм отколку што ќе требаше да го напушти теренот на земјата. Магнетното поле, кое е повеќе од 10 милијарди пати посилно од тоа на земјата, и ротацијата на starвездата до 1000 пати во секунда не би била од голема корист ниту за посетителот. неколку стотици илјади [К] дотогаш не требаше да му направат ништо.
Зошто јадрото не се распаѓа понатаму, ќе се запрашаме сега? Горната граница на масата за неутронска starвезда е помеѓу 1,8 и 2 соларни маси. Ако ја надмине оваа граница, неизбежно станува црна дупка. Ако остане под него, може да се спротивстави на дејствувачката гравитација со притисок што доаѓа од неутроните. Овие дегенерираат под такви екстремни услови, т.е. се движат со релативистичка брзина. Нивните кинетички енергии (кинетички енергии) се толку високи што можат да се споредат со останатата маса (E = mc 2) на честичките.
Под овие релативистички услови, кинетичката енергија не дава веќе занемарлив придонес кон масата.
Неутроните се нормално стабилни само кога се врзани за протоните, како во нормалните атомски јадра. Во спротивно, тие се распаѓаат (поради β-распаѓањето) со полуживот од околу 880 секунди во протон, електрон и антинеутрино (пандан на неутриното). Но, во огромната густина во рамките на неутронската starвезда, електроните се веќе спакувани толку близу до оригиналните протони што, поради принципот на исклучување на Пол, нема повеќе простор за понатамошни електрони.
Ова значи дека нема повеќе незафатени квантни состојби што електроните би можеле да ги окупираат. Ова е причината зошто (скоро) само неутроните можат да постојат под такви екстремни услови. Неутронскиот гас е дегенериран.
Структурата на неутронска starвезда ќе изгледа вака:
Однадвор веројатно ќе има цврста, тенка кора направена од железни јадра. Залудно ќе барате издигнувања на нејзината површина; огромната гравитација дозволува „планини“ најмногу 1 мм.
Структура на неутронска starвезда Како што е наведено во оваа скица, се замислува структурата на неутронска везда. Колку подлабоко продирате, толку се егзотични компонентите, како што се (изотопи) на кобалт, никел, германиум, па дури и јадра на криптон. Овие нормално би се распаднале (со ослободување на електрони и антинеутрини, но ова не е можно тука заради забраната на Паули). Понатаму внатре, густината се зголемува сè повеќе и повеќе се додека не влезе во опсегот на густината на честичките на јадрото (10 14 [g cm 3]). Овде веројатно остануваат само чисти неутрони, освен неколку протони и електрони. Неутроните овде имаат својства на суперфлуид, течност без внатрешно триење. Ако би го „измешале“, генерираниот вртлог би продолжил да кружи бесконечно. Неколкуте протони и електрони исто така предизвикуваат суперспроводливост, т.е. нема електричен отпор. Еднаш предизвикана, струја ќе тече засекогаш.
Магнетното поле на таквата срушена starвезда достигнува незамислива сила (видете исто така магнети). Заедно со својата голема брзина на ротација, тој делува како џиновско динамо и, под одредени околности, може да се појави како пулсар.
Понатамошниот крај на неутронската starвезда е помалку драматичен.
Сигурно е дека ќе ја забави својата ротација со текот на времето (милијарди години!). Покрај тоа, тој постепено ќе се олади целосно, сè додека само едно црно, морничаво компактно тело не лебди во вселената, слично на крајот на белите џуџиња. Во космосот може да има милијарди и милијарди вакви изладени грутки од гареж, но екстремно долгата фаза на ладење сугерира дека сите неутронски starsвезди што се формирале досега се уште се видливи. Покрај тоа, исто така е можно theвездата повторно да ја фати меѓуerstвездената материја поради исклучително силното гравитационо поле (можеби дури и целосна starвезда ако има придружник). Тогаш сигурно ќе пропадне во црна дупка кога ќе се надмине одредена граница на маса. Средбата помеѓу две неутронски starsвезди или една со црна дупка е уште подраматична. Потоа, тие ќе кружат како предатори кои демнат за плен. Брзините ќе се зголемуваат колку што се приближуваат предметите. Непосредно пред да се спои во црна дупка, ова се случува со скоро брзина на светлината. Се генерираат екстремно силни гравитациони бранови кои може еден ден да ни кажат за вакви настани.
Во последно време веќе не се претпоставува дека неутронската starвезда е составена само од неутрони. Може да биде дека тој е составен од нешто што се нарекува хиперон се состои. Тоа се тешки честички (бариони) кои не само што се состојат од горе и долу кваркови како протони и неутрони, туку содржат и чудни и шарм кваркови. Таквата структура тогаш би била нешто „помека“, покомпресивна од starвездата направена од неутрони и може да има дијаметар помал од 20 км. Неговото време на ротација може да ги намали вредностите до 1 [ms] без beingвездата да биде распарчена. Денес знаеме цела низа пулсари кои ротираат во милисекунден опсег, така што тие може да се состојат од хиперон.
Кварците беа создадени во шеесеттите години од физичарот Мареј Гел-Ман и Georgeорџ Цвајг развиен како модел на честички, според кој протоните и неутроните се составени од нив. Првично само 3 различни кваркови беа постулирани, горе, долу и чудни кваркови. Подоцна, беа откриени и други кваркови именувани врвни, шарм и долни кваркови. Значи, ова се (покрај електроните) најмалите градежни блокови на материјата и тие се држат заедно со таканаречените глуони (= Лепливи честички). Кварците не можат да се набудуваат како слободни честички, но може да се идентификуваат ако атомските јадра се судираат со голема брзина во забрзувачите на големите честички. Беше можно дури и да се открие нова состојба на материјата, т.н. кварк-глуон плазма.
Како резултат на соработката меѓу двете опсерватории, Чандра и Хабл, сега е можно да се истражат два објекта што се всушност премногу мали за неутронските starsвезди.
Кварк starвезда RXJ1856.3-3754 Како овде објектот со име RXJ1856.3-3754, што е оддалечено само 400 светлосни години во јужната круна. Покрај шокантно високата температура од 700 000 [К], што е повеќе од 100 пати потопла од сонцето (!), „Starвездата“ има и дијаметар од само 11 км. Но, тоа е премногу мало за неутронска starвезда во вообичаена смисла, веројатно може да биде само кварк везда.
3C58 3C58, друг кандидат за uarвезда на Кварк. Неговата температура е исто така нешто помалку од еден милион [K]! Оваа неутронска starвезда најверојатно потекнувала од супернова што ја опишале јапонски и кинески астрономи уште во 1181 година. Претходниот модел на ладење на неутронските starsвезди треба да се преиспита поради неговото постоење.
Подароци од НАСА/Чандра
За разлика од theвездите составени од хиперони (подобро треба да се каже: компактни објекти!), Uarвездите на Кварк повеќе не се состојат од дискретни бариони; Таквата состојба на материјата би била малку покомпресивна од предметот кој се состои од хиперони и со тоа би можел да даде објаснување за новооткриените starsвезди. Може да се обезбедат дополнителни докази ако може да се најде пулсар со период на ротација помал од 1 [ms].
Ние веќе знаеме многу за овие егзотични објекти наречени неутронски starsвезди, само дел од нив се репродуцирани овде. Како и да е, со секое ново откритие сте на нов почеток каде има безброј прашања на кои треба да се одговори.
Назад кон Dвездите што умираат
Одете на: пулсари